基于三维激光扫描仪的地形变化监测

第 27 卷第 6 期增刊 　 2006 年 6 月 仪 　器 　仪 　表 　学 　报 Chinese Journal of Scientific Inst rument Vol. 27 No. 6 J une. 2006 　 基于三维激光扫描仪的地形变化监测 张国辉 (辽宁工程技术大学测量系 　阜新 　123000) 摘 　要 　提出了应用三维激光扫描仪监测地形变化的方法。介绍了仪器原理、结构、用途和观测方案。用球形标志法和 DEM 求差法提取地形变化信息。实验表明 ,该方法具有很高的精度和分辨率 ,可以应用在灾害评估、矿产量估计和工程量计 算等方面。 关键字 　三维激光扫描仪 　变形监测 　测绘 Measurement of topography deformation based on 3D laser scanner Zhang Guohui ( L iaoning Technical Universit y , Fux in 123000 , China. ) Abstract 　It present s a deformation monitoring method based on 3D laser scanner . It int roduces the principle , st ructure and usage of 3D laser scanner . Topography deformation information was ext racted by spherical signs and DEM difference algorithm through analysis and experimentations. The methods could be applied in damage estimation , disaster prevention , coal output and budgetary estimates , etc. Key words 　3D laser scanner 　deformation monitor 　survey 1 　引 　　言 三维激光扫描仪可以快速地以毫米级采样间隔 获取实体表面点的三维坐标并以“点云”数据形式 存储到计算机中。它快速建立目标的三维模型并 提取线、面、体等制图数据 ,实现“实景复制”。传统 的单点数据采集方式得以改变。对露天矿、大坝和 建筑物的传统变形监测方法 ,如 :安装应力应变传 感器、用测绘仪器 (全站仪、GPS 等) 测量等 ,由于采 样点少 ,很难反映变形的全部特征 ,且耗时费钱。 而三维激光扫描仪可以弥补传统方法的不足。 2 　Cyrax 三维激光扫描系统工作原理 Cyrax 三维激光扫描系统由三维激光扫描仪和 配套软件组成。仪器内部有激光器和旋转轴互相 正交的两个反光镜。窄束激光脉冲在反光镜作用 下 ,沿纵、横向依次扫过被测区域。物体漫反射的 部分激光能量被三维激光扫描仪接收。测量激光 脉冲从发出到返回仪器所经过的时间 ,可以计算出 仪器和物体间的距离 S ;同时测量每个激光脉冲与 仪器固有坐标系 X 轴的夹角α, XO Y面的夹角θ(如 图 1 所示) ,可以由公式 ( 1) 算出被测物体表面点的 三维坐标。根据扫描点的激光反射强度 ,给反射点 匹配颜色。扫描点绘制在屏幕上 ,组成密集的“点 云”。用 Cyclone 软件在点云图内直接完成物体长 度、直径等几何量的测量及概念 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 。 图 1 　激光脉冲的角度和仪器内部坐标系统 X = S c o sθc o sα Y = S c o sθs i nα (1) Z = S s i nθ 　第 6 期增刊 基于三维激光扫描仪的地形变化监测 97　　　 3 　Cyrax 三维激光扫描系统应用 3 . 1 　扫描、三维建模和后续处理 安装三维激光扫描仪和控制标靶 ,连接扫描仪和 计算机 ,用 Cyclone 软件在仪器拍摄的照片上选择扫 描区域 ,设置扫描分辨率 ,对物体各侧面进行扫描。通 过 Cyclone 软件的坐标匹配功能 ,将所有点云数据“拼 合”成完整的点云模型。剔除干扰点云 ,通过分步框选 点云和自动拟合 ,最终完成整个扫描对象的建模。对 模型进行渲染、照明和贴图。生成断面图、投影图、等 值线图等。以 AutoCAD 和 MicroStation 等格式输出 数据。 3 . 2 　应用领域 三维地面景观测量 ,逆向工程 ,古建筑结构测量 , 地形测图 ,高精度数字地面模型的建立 ,工程改扩建 , 体积计算 ,电影特技、变形监测等。 4 　三维激光扫描系统用于变形监测 采用三维激光扫描仪对某露天矿的高陡边坡进行 变形监测。需要解决的难题是 :布设测站和控制标靶 ; 统一各次扫描的坐标系统 ;提取变形信息 ;变形监测误 差的估算 ;变形数据显示等。 4 . 1 　变形监测方案 仪器安装在变形体附近。控制标靶是拼合各次扫 描点云的基准点 ,也是网格坐标与仪器内部坐标的转 换媒介 ,其位置必须保持稳定。 由于点云数据极其密集 ,靠视力很难分辨一个点 的变形情况 ,故采用如下方法提取变形信息。 方法一 :在变形体表面安装多个涂色的球形标志 (其反光强度不同于变形体) ;根据点云颜色和形状 ,从 扫描点云中将球形标志分辨出来 ,用 Cyclone 软件建 立球模型并输出球心坐标 ,通过比较各时段扫描数据 中相同球心的坐标变化来提取变形信息。 方法二 :根据点云数据建立变形体的数字高程模 型(DEM) ,统一各时段 DEM 的坐标系统 ,用基于模型 求差的方法分析变形。DEM 是一定范围内格网点的 平面坐标 ( X , Y) 及其高程 ( Z) 的数据集 ,它主要是描述 区域地貌形态的空间分布。基于不同时间段的数据建 立的 DEM 不完全相同 ,为了比较相同水平坐标点的 高程变化 ,需要以初始 DEM 数据作为参考 ,将后面的 DEM 进行内插计算 ,即以某坐标相邻点的高程加权平 均值作为该点高程。通过比较相同水平坐标点的高程 变化来分析变形大小 ,即三维数据一维化。用基于 Matlab 和 CAD 的自主开发软件制作表格、文本、断面 图、曲线图、三维变形曲面图来表示变形。 4 . 2 　精度分析 Cyrax 2500 三维激光扫描仪单点位精度 ±6mm , 距离±1mm ,角度精度±0. 5″,模型表面精度±2mm。 方法一 :模型表面精度 ±2mm ,可以满足变形监 测要求。方法二 :实质是求所有单点数据的加权平均 值 ,精度优于 ±6mm。而用传统的全站仪来观测 ,其 精度在厘米级。本次扫描监测与传统方法比较 ,监测 结果最大不符值为 8mm ,满足预期要求。 5 　结束语 三维激光扫描系统具有快速、细致和高精度的特 点。将其应用在地形变化监测方面 ,可以减轻人员劳 动强度 ,减少时间耗费 ,并能够获得满意的监测结果。 　　参考文献 [1 ] 　郑德华 ,雷伟刚.地面三维激光影像扫描测量技术 [J ] . 铁路航测 ,2003 (3) . [2 ] 　徕卡 CYRA Cyclone 用户手册. [ 3 ] 　徕卡 CYRA Cyrax2500 用户手册. [ 4 ] 　周 　翔. CYRAX2激光扫描的三维时代 [J ] . 电子质量 , 2001 (3) . [5 ] 　张远智 ,胡广洋 ,刘玉彤 ,等. 基于工程应用的 3 维激光 扫描系统[J ] .测绘通报 ,2002 (1) . [6 ] 　刘宏伟. 激光扫描数据重构曲面的优化技术研究 [J ] . 现代机械 ,2003 (3) .